以二氧化碳作為檢測對象的初中生物學實驗的整合、優化與拓展

鄒永劍 朱曉燕

（1 福建省南平第一中學 福建南平 35300 2 福建省南平市教師進修學院 福建南平 354200）

《義務教育生物學課程標準（2011年版）》提出，科學探究是為了促進學生學習方式的改變，使學生能主動地獲取知識，體驗科學過程，培養創新精神[1]。圍繞對“光合作用”和“呼吸作用”的探究，本文從實驗檢測對象入手，改變實驗類型，優化實驗程序，整合拓展實驗，培養學生的科學探究和科學思維能力。

1 變更檢測對象，培養探究思維

在完成“驗證綠葉在光下合成淀粉”的實驗后，教師可引導學生查閱資料，引發思考：該實驗通過檢測是否產生淀粉以探究光合作用，若將檢測對象變更為二氧化碳是否可行？怎樣才能準確地檢測二氧化碳的消耗量？在沒有二氧化碳分析儀的情況下，如何設計簡單而直觀的實驗也能達到類似的效果？教師介紹補充知識：二氧化碳溶于水形成碳酸，水體的pH 值會發生變化，加入酸堿指示劑后，通過水體顏色的變化可觀測二氧化碳的增、減。進一步引導學生展開討論，提出在水中檢測二氧化碳的可行性方案。學生嘗試將“檢驗光合作用需要二氧化碳”確立為優化目標實驗（表1）。

表1 變更檢測對象實驗對照表

2 整合教材實驗，優化實驗設計

北師大版初中生物學教材第5 章第1～2 節設置的9 個實驗中有6 個演示實驗[2]。將演示實驗改為活動類實驗，有助于學生構建概念，提高科學探究能力和科學思維能力，但需注意變更后的實驗應滿足可操作、易觀察、低風險等條件。基于檢測對象變更的可行性，教師引導學生從教材中篩選出5 個實驗并著手展開優化整合（表2）。

表2 光合作用及呼吸作用的部分實驗整合

2.1 實驗原理 溴麝香草酚藍（BTB）試劑在弱酸性溶液中呈黃色，在堿性溶液中呈藍色。

2.2 實驗材料 新鮮和煮熟的綠菊花草、550 mL礦泉水瓶、0.1%BTB 試劑、試劑瓶、滴管、鑷子、大燒杯、開水、新鮮河水、火柴、木條、長吸管、溫度計。

2.3 預實驗

1）水生植物的篩選：備選植物有銅錢草、綠菊花草、蜈蚣草和鹿角鐵皇冠，發現在22～28℃范圍內，綠菊花草的光合作用速率最快，效果最明顯，空白組是為了檢測光照是否對BTB 溶液顏色變化有影響（圖1）。

圖1 光照后BTB 溶液顏色對比

2）酸堿指示劑的篩選：備選指示劑有石蕊、酚酞和溴麝香草酚藍（BTB）試劑，發現BTB 試劑顯色效果最為理想（圖2）。

圖2 吹氣前、后BTB 溶液顏色對比

3）BTB 毒性測試：未發現BTB 試劑對綠菊花草會造成傷害。

2.4 實驗過程 將開水注入甲燒杯冷卻至室溫，將新鮮河水注入乙燒杯，各加入0.1%BTB 試劑攪拌均勻，試劑與水的混合比為1∶400。取7 個同款式礦泉水瓶標號為A～G。向A～E 瓶中注入400 mL 的BTB 冷開水溶液，向F、G 瓶中注入等量BTB 新鮮河水溶液。每瓶加入20 g 綠菊花草，水溫控制在22～28℃。

實驗①：A、B 瓶中加入新鮮綠菊花草，用長吸管向瓶內溶液吹氣直至顏色變黃，擰緊瓶蓋后A 瓶置于光下，B 瓶置于暗處，觀察溶液顏色變化情況。

實驗②：C、D 瓶各加入新鮮綠菊花草，用長吸管向C 瓶溶液內吹氣直至顏色變黃，D 瓶不吹氣，擰緊瓶蓋后同時置于光下，觀察溶液顏色變化情況。

實驗③：E 瓶加入新鮮綠菊花草，用長吸管向瓶內溶液吹氣直至顏色變黃，擰緊瓶蓋后置于光下，觀察氣泡產生情況。每隔3 min 擰松瓶蓋5 s后再重新擰緊，擰松瓶蓋是為了排出瓶內原有氣體。重復2 ～3 次后，將帶有火星的木條迅速伸入瓶內，觀察現象。

實驗④：F 瓶加入新鮮綠菊花草，G 瓶加入煮熟綠菊花草，擰緊瓶蓋后同時置于暗處，過夜后，觀察溶液顏色變化情況。

實驗⑤：將點燃的木條分別伸入F 瓶和G 瓶中，觀察燃燒情況。

2.5 實驗分析及結論

實驗①：A 瓶溶液顏色由黃變綠（圖3），B 瓶顏色不變。A 瓶植物能吸收二氧化碳進行光合作用；B 瓶植物缺乏光照不能進行光合作用。說明綠色植物光合作用需要光。

圖3 光照90 min 前、后BTB 溶液顏色對比

實驗②：C 瓶溶液顏色由黃變綠，D 瓶顏色不變。C 瓶植物能進行光合作用；D 瓶植物缺乏二氧化碳不能進行光合作用。說明綠色植物光合作用需要二氧化碳。

實驗③：E 瓶溶液顏色由黃變綠，說明植物能吸收二氧化碳進行光合作用；帶有火星的木條復燃，說明光合作用釋放的氣體為氧氣。

實驗④：F 瓶溶液顏色由綠變黃，G 瓶顏色不變。F 瓶植物能進行呼吸作用釋放二氧化碳；G瓶植物死亡無法釋放二氧化碳。說明綠色植物進行呼吸作用能釋放二氧化碳。

實驗⑤：F 瓶木條伸入后立即熄滅，G 瓶木條伸入后短時間內能繼續燃燒。F 瓶植物進行呼吸作用，氧氣被大量吸收，無法支持木條繼續燃燒；G 瓶植物死亡無法進行呼吸作用，不消耗氧氣。說明綠色植物進行呼吸作用能吸收氧氣。

3 借助相同裝置，進行拓展實驗

改進原有的實驗模式，換以二氧化碳作為檢測對象，只需在原有裝置的基礎上，適當添加材料器具，即可對光合作用和呼吸作用的原料、產物及各種條件展開拓展探究，有利于學生認知的發展，也為后續高中階段的學習做好銜接，達成同時實現多級目標的教學預期（表3）。

表3 光合作用及呼吸作用相關拓展實驗

優化整合后的實驗無需暗處理即可進行，可極大縮短時間。采用礦泉水瓶代替玻璃鐘罩，可實現廢物再利用，增強學生的環保意識和社會責任感。將陸生植物（天竺葵）替換為水生植物（綠菊花草），利用水溶液的顏色變化檢測二氧化碳，可拓展學生的思維，起到鼓勵積極探索、提升科學素養的目的。設計BTB 毒性測試環節，可培養學生嚴謹、全面的科學思維習慣。摒棄氫氧化鈉的使用和酒精脫色處理，可消除強腐蝕、易燃燒等因素造成危害的隱患。這些措施有助于切實有效開展中學生物學實驗、培養和發展學生的實驗基本技能及生物學科核心素養。